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2017 : Cryo-microscopie électronique (Jacques Dubochet, Prix Nobel)

En 2017 Jacques Dubochet a reçu le prix Nobel de chimie pour avoir développé la technique de cryo-microscopie électronique utilisée pour déterminer la structure à haute résolution des protéines en solution. La cryo-microscopie électronique est une technique de préparation d’échantillons utilisée en microscopie électronique. En utilisant le froid elle permet de contourner le problème de l’observation d’objets hydratés dans le vide poussé de l’enceinte du microscope. Dans un tel environnement, l’eau contenue dans l’échantillon s’évapore en effet, de manière presque instantanée. Les conséquences sur les macromolécules biologiques sont ainsi catastrophiques : elles s’effondrent sur elles-mêmes. Leur structure tridimensionnelle fine est donc perdue.

Ce problème peut néanmoins être contourné en générant une empreinte de l’échantillon insensible au vide (technique dite de coloration négative), ou en congelant l’échantillon à suffisamment basse température afin que l’eau ne puisse plus s’évaporer. Dans la première technique, ce n’est pas le complexe macromoléculaire qui est visualisé mais son empreinte et les détails de la structure dépendent de la taille des grains composant la substance qui est utilisée pour la coloration négative (des sels d’atomes lourds). L’information ainsi obtenue n’est en fait qu’une information de surface (le colorant entoure l’objet mais ne pénètre que peu à l’intérieur). L’objet peut également s’effondrer sur lui-même et être déformé, avant que le moule ne se soit solidifié. Cette technique ne peut donc être utilisée pour la biologie structurale à haute résolution. La deuxième technique (congélation) a ses limites : lorsque l’eau est congelée, elle cristallise et augmente de volume. Les cristaux ainsi formés détruisent la structure des objets en solution. 

La technique mise au point par Jacques Dubochet consiste en la congélation ultra rapide d’une couche d’eau sub-micrométrique. La vitesse de congélation dans de l’éthane liquide (à –170 °C), de l’ordre de 10 000 °C par seconde, empêche en effet la formation de cristaux de glace. L’eau est alors figée dans un état très proche de son état liquide. Cela s’appelle « glace vitreuse » ou « amorphe » (d’où l’appellation « eau froide » employée par Jacques Dubochet). Cette glace de même densité que l’eau liquide, et qui occupe le même volume, est translucide aux électrons (si toutefois elle est suffisamment fine). La congélation ultra rapide de l’eau va également conserver tout ce qu’elle contient, et donc les macromolécules biologiques dont on désire étudier la structure.

Image de coloration négative (A) et de cryo-microscopie (B) de la sous-unité 50S du ribosome bactérien. C. Classe 2D (moyenne) obtenue à partir de particules sélectionnées dans (B). D. Reconstruction 3D de l’échantillon à 7 Å de résolution. Cristaux 2D visualisés en coloration négative (E) et en cryo (F) du complexe bf de la chaîne photosynthétique de Chlamydomonas reinhardtii.

Grace notamment à la méthode de vitrification de l’eau élaborée par Jacques Dubochet, la résolution atomique à été atteinte en microscopie électronique en 2013

Jacques Dubochet a ainsi rendu possible l’observation de la structure native d’échantillons biologiques, de macromolécules à des cellules entières. Malgré ses contributions restées majeures, il conclut toujours ces entretiens de manière très modeste, en disant que tout cela n’aurait pas été possible sans le soutien des différentes institutions dans lesquelles il a travaillé, et qu’« un scientifique, c’est un homme dont le seul maître est la nature ».

Références

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